《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.01.21.002©北京科技大学2020 工程科学学报DO: 烟气循环烧结热风罩内气流数值模拟及优化 罗云飞)，龙红明2，赵利明)，周江虹，余正伟)，王毅璠区 1)安徽工业大学治金工程学院，安徽马鞍山2430322)治金工程与资源综合利用安徽省重点实验室（安徽王 安徽马鞍山243002 3)宝钢湛江钢铁有限公司炼铁厂，广东湛江5240004)马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山243002 ☒通信作者，E-mail:ahutwyf(@l63.com: 摘要烟气循环技术是基于部分热废气被再次引入烧结过程的原理而开发的一种新型烧结模式，对提高烧结余热利 用率、降低污染物排放和烧结能耗具有显著效果。但循环烟气在烟气罩内流动状态、烟气罩漏风状况等对烟气循环的 效果及稳定性至关重要。为此，对某钢厂循环烟气罩内烟气流动状态及漏风伏况迸行模拟，结果表明：现有烟气罩 人孔打开时虽然在一定程度上削弱了烟气进入形成漩涡的强度，但并改善烟气旋转流动，导致料面上烟气流速不 均：通过优化烟气罩内导流板结构和数量，削弱了烟气罩内烟气旋装流窈，明显改善了循环烟气的流动，使烟气分 布更均匀：同时烟气罩漏风状况大大改善，优化后使A侧漏众) 1.2m3s变为吸风2.4m3s,有利于烧结生 产的顺行。 关键词烧结：烟气罩：烟气循环：漏风：流动状态 分类号TF046.4 Numerical simulation and optimization of the flow in the sintering flue gas circulating hot air hood LUO Yun-fei,LONG Hong-ming ZHAO Li-ming,ZHOU Jiang-hong",YU Zheng-wei,WANG Yi-fa 1)School of Metallurgical Engineering, University of Technology,Maanshan 243002,China; 2) Anhui Province Key Laboratory lurgy Engineering Resources Recycling (Anhui University of Technology),Maanshan 243002, China, 3) Baosteel Zhanjiang Tron and Steel Co.,Ltd.Ironmaking Plant,Zhanjiang 524000,China; 4) Maanshan Iron and Steel Go.,Ltd.,Maanshan 243002,China Corresponding author.E-mail:ahutwyf@163.com ABSTRACT The fluegas circulation technology is a new type of sintering mode developed based on the principle that part of the hot exhaust gas is re-introduced into the sintering process.It has significant effects on improving the utilization rate of sintering waste heat,reducing pollutant emissions and sintering energy consumption.However,the circulating flue gas flow state in the flue gas hood and the air leakage of the flue gas hood are very important to the effect and stability of the flue gas circulation,and at the same time have a significant impact on the quality indicators of the sintered ore.In order to optimize the circulating flue gas flow state in the flue gas hood,improve the air leakage of the flue gas hood,and then give full play to the advantages of low pollution and low emission of the flue gas circulation sintering technology,the flue gas flow status in 1收稿日期：2021-01-0X 善金项目：国家自然科学基金面上资助项目(51674002)
工程科学学报 DOI: 烟气循环烧结热风罩内气流数值模拟及优化1 罗云飞 1)，龙红明 1,2)，赵利明 3)，周江虹 4)，余正伟 1)，王毅璠 1) 1) 安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山 243032 2) 冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室（安徽工业大学），安徽马鞍山 243002 3) 宝钢湛江钢铁有限公司炼铁厂，广东 湛江 524000 4) 马鞍山钢铁股份有限公司，安徽 马鞍山 243002 通信作者，E-mail: ahutwyf@163.com； 摘 要 烟气循环技术是基于部分热废气被再次引入烧结过程的原理而开发的一种新型烧结模式，对提高烧结余热利 用率、降低污染物排放和烧结能耗具有显著效果。但循环烟气在烟气罩内流动状态、烟气罩漏风状况等对烟气循环的 效果及稳定性至关重要。为此，对某钢厂循环烟气罩内烟气流动状态及漏风状况进行模拟，结果表明：现有烟气罩 人孔打开时虽然在一定程度上削弱了烟气进入形成漩涡的强度，但并未改善烟气旋转流动，导致料面上烟气流速不 均；通过优化烟气罩内导流板结构和数量，削弱了烟气罩内烟气旋转流动，明显改善了循环烟气的流动，使烟气分 布更均匀；同时烟气罩漏风状况大大改善，优化后使 A 侧漏风口由漏风 1.2 m3 ·s -1变为吸风 2.4 m3 ·s -1，有利于烧结生 产的顺行。 关键词 烧结；烟气罩；烟气循环；漏风；流动状态 分类号 TF046.4 Numerical simulation and optimization of the flow in the sintering flue gas circulating hot air hood LUO Yun-fei1) , LONG Hong-ming1,2) , ZHAO Li-ming3) , ZHOU Jiang-hong4) , YU Zheng-wei1) , WANG Yi-fa1) 1) School of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China; 2) Anhui Province Key Laboratory of Metallurgy Engineering & Resources Recycling (Anhui University of Technology), Maanshan 243002, China; 3) Baosteel Zhanjiang Iron and Steel Co., Ltd. Ironmaking Plant, Zhanjiang 524000, China; 4) Maanshan Iron and Steel Co., Ltd., Maanshan 243002, China Corresponding author, E-mail: ahutwyf@163.com ABSTRACT The flue gas circulation technology is a new type of sintering mode developed based on the principle that part of the hot exhaust gas is re-introduced into the sintering process. It has significant effects on improving the utilization rate of sintering waste heat, reducing pollutant emissions and sintering energy consumption. However, the circulating flue gas flow state in the flue gas hood and the air leakage of the flue gas hood are very important to the effect and stability of the flue gas circulation, and at the same time have a significant impact on the quality indicators of the sintered ore. In order to optimize the circulating flue gas flow state in the flue gas hood, improve the air leakage of the flue gas hood, and then give full play to the advantages of low pollution and low emission of the flue gas circulation sintering technology, the flue gas flow status in 1收稿日期:2021-01-0X 基金项目: 国家自然科学基金面上资助项目(51674002) 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.21.002 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿
the circulating flue gas hood of a steel plant and the air leakage situation was simulated.The results showed that although the existing smoke hood manhole was opened,although the strength of the smoke entering to form the vortex was weakened to a certain extent,it did not improve the swirling flow of the smoke,resulting in uneven flow velocity of the smoke on the material surface.And the air leakage of the flue gas hood is obvious;by optimizing the structure and number of baffles in the flue gas hood,the rotating flow of the flue gas in the flue gas hood is weakened,the circulation of the flue gas flow is significantly improved,and the flue gas distribution is more uniform;at the same time,the air leakage of the gas hood has been greatly improved.After optimization,the air leakage on the A side has changed from a leakage of 1.2 m3.s to a suction of 2.4 m2s,which is conducive to the smooth movement of sintering production. KEY WORDS sintering:flue gas hood:flue gas circulation:air leakage:flow state 作为国民经济的支柱产业，钢铁工业能源消耗量约占全国能耗的15-20%，同时，也是余热资 源最多行业之一。铁矿烧结工序是钢铁联合企业中重要的组成部分，为高炉提供优质炼铁原料的 同时也具有高能耗、高污染、余热利用率低等特点6，其污染物包括颗粒物、 SO2、CO、NOx、HCI、HF、VOCs和二噁英(PCDD/Fs)等-。随着国家环保政策的甘益收紧，为满 足可持续发展的需求，在传统方法的基础上衍生了许多新的技术，如基于镁法的多污染物协同去除 技术、烟气多污染物集并吸附脱除技术、多污染物中低温协同催化净化技 其中烟气循环技术 以其高余热回收率、低污染物排放等的显著优势受到广泛关注与认可。 烟气循环烧结是基于部分热废气被再次引入烧结过程的原锂而开发的一种新型烧结模式 s,l。1978年由美国Wilton Steel提出，经过近四十年的发展代表性的有日本Nippon Railway的区 域性废弃循环工艺、荷兰Emeiden Steel的EOS(Emission Optimized Sintering)工艺、德国HKM的 LEEP(Low Emission and Energy Optimized Sinter Process)工艺、德国Siemens VAI的 EPOSINT(Environment Process Optimized Sintering达等。2013年，宝钢为解决环冷机热废气无 组织排放问题，同时兼顾低温余热回收利用、超低拼放簇行业前瞻性要求，在EPOSINT工艺基础上 开发了具有独立自主产权的BSFGR(Bao SteekFlue Gas Recirculation)工艺I),同时在宁钢烧结机 应用，对提高烧结余热利用率、降低污染物排放和烧结能耗具有显著效果18：2。 国内外开展了多项烟气循环过程数学模型的相关研究，H.Ahn等21,22利用流程模拟器建立了热废 气循环烧结过程的二维数学模型，考察了废气成分和返回料面位置等因素对烧结过程废气排放规律的 影响。张小辉等通过数值模拟的方法，从节能减排效果和对烧结过程的影响对比探讨了烟气循环对常 规烧结的改善效果。中南大学范晓慧，2研究了烟气循环工艺不同烟气成分对烧结过程的影响，并指出 当循环烟气氧含量低于18%时，会引起烧结矿产质量指标的急剧下降。杨正伟等2以宝钢6002大型 烧结机为研究对象，借助y模拟软件，对循环系统的烟气混合器、分配器及循环罩三大核心部 件进行建模、流场仿真及结构优化。许源等以沙钢4号烧结机烟气循环系统为研究对象，对烟气循环 系统的烟气分配器及循环烟罩进行数值模拟，通过安装烟气分配器，强化了烟气与烧结原料间的换热。 作为节能减排的新型烧结模式，烟气循环对强化烧结过程、促进烟气污染物减排具有较为显著的效果， 同时，循环烟气在烟气罩内流动状态对其节能减排效果发挥关键作用，循环烟气在烟气罩内无规则分 布时，其进入烧鯊料层烟气量有限，发挥节能减排效果并不显著，同时对局部烧结料层有冲散等不利 影响，可能加剧烧结料层边缘效应。但目前针对循环烟气如何均匀分布于烟气罩及其在烟气罩内流动 状态研究鲜有报道。 本文利用数学建模对某钢厂烧结机烟气罩内循环烟气流动状态进行模拟，通过优化烟气罩内导 流板结构和数量，使原有烟气罩漏风状况大大改善，同时改善了烟气罩内烟气流动状态，使烟气在 料面上分配更均匀，有利于烧结生产的顺行。 1模型的构建与优化方案
the circulating flue gas hood of a steel plant and the air leakage situation was simulated. The results showed that although the existing smoke hood manhole was opened, although the strength of the smoke entering to form the vortex was weakened to a certain extent, it did not improve the swirling flow of the smoke, resulting in uneven flow velocity of the smoke on the material surface. And the air leakage of the flue gas hood is obvious; by optimizing the structure and number of baffles in the flue gas hood, the rotating flow of the flue gas in the flue gas hood is weakened, the circulation of the flue gas flow is significantly improved, and the flue gas distribution is more uniform; at the same time, the air leakage of the gas hood has been greatly improved. After optimization, the air leakage on the A side has changed from a leakage of 1.2 m3 ·s-1 to a suction of 2.4 m3 ·s-1, which is conducive to the smooth movement of sintering production. KEY WORDS sintering; flue gas hood; flue gas circulation; air leakage; flow state 作为国民经济的支柱产业，钢铁工业能源消耗量约占全国能耗的 15-20%，同时，也是余热资 源最多行业之一[1-5]。铁矿烧结工序是钢铁联合企业中重要的组成部分，为高炉提供优质炼铁原料的 同 时 也 具 有 高 能 耗 、 高 污 染 、 余 热 利 用 率 低 等 特 点 [6-10] ， 其 污 染 物 包 括 颗 粒 物 、 SO2、COX、NOX、HCl、HF、VOCs 和二噁英（PCDD/Fs）等[11-14]。随着国家环保政策的日益收紧，为满 足可持续发展的需求，在传统方法的基础上衍生了许多新的技术，如基于镁法的多污染物协同去除 技术、烟气多污染物集并吸附脱除技术、多污染物中低温协同催化净化技术等[1]，其中烟气循环技术 以其高余热回收率、低污染物排放等的显著优势受到广泛关注与认可。 烟气循环烧结是基于部分热废气被再次引入烧结过程的原理而开发的一种新型烧结模式 [15 ,16]。1978 年由美国 Wilton Steel 提出，经过近四十年的发展，代表性的有日本 Nippon Railway 的区 域性废弃循环工艺、荷兰 Emeiden Steel 的 EOS（Emission Optimized Sintering）工艺、德国 HKM 的 LEEP （ Low Emission and Energy Optimized Sinter Process ） 工 艺 、 德 国 Siemens VAI 的 EPOSINT（Environment Process Optimized Sintering）工艺等。2013 年，宝钢为解决环冷机热废气无 组织排放问题，同时兼顾低温余热回收利用、超低排放等行业前瞻性要求，在 EPOSINT 工艺基础上 开发了具有独立自主产权的 BSFGR（Bao Steel Flue Gas Recirculation）工艺[17]，同时在宁钢烧结机 应用，对提高烧结余热利用率、降低污染物排放和烧结能耗具有显著效果[18-20]。 国内外开展了多项烟气循环过程数学模型的相关研究，H. Ahn 等[21,22]利用流程模拟器建立了热废 气循环烧结过程的二维数学模型，考察了废气成分和返回料面位置等因素对烧结过程废气排放规律的 影响。张小辉等[23]通过数值模拟的方法，从节能减排效果和对烧结过程的影响对比探讨了烟气循环对常 规烧结的改善效果。中南大学范晓慧[24,25]研究了烟气循环工艺不同烟气成分对烧结过程的影响，并指出 当循环烟气氧含量低于 18%时，会引起烧结矿产质量指标的急剧下降。杨正伟等[26]以宝钢 600 m2 大型 烧结机为研究对象，借助 FLUENT 模拟软件，对循环系统的烟气混合器、分配器及循环罩三大核心部 件进行建模、流场仿真及结构优化。许源[27]等以沙钢 4 号烧结机烟气循环系统为研究对象，对烟气循环 系统的烟气分配器及循环烟罩进行数值模拟，通过安装烟气分配器，强化了烟气与烧结原料间的换热。 作为节能减排的新型烧结模式，烟气循环对强化烧结过程、促进烟气污染物减排具有较为显著的效果， 同时，循环烟气在烟气罩内流动状态对其节能减排效果发挥关键作用，循环烟气在烟气罩内无规则分 布时，其进入烧结料层烟气量有限，发挥节能减排效果并不显著，同时对局部烧结料层有冲散等不利 影响，可能加剧烧结料层边缘效应。但目前针对循环烟气如何均匀分布于烟气罩及其在烟气罩内流动 状态研究鲜有报道。 本文利用数学建模对某钢厂烧结机烟气罩内循环烟气流动状态进行模拟，通过优化烟气罩内导 流板结构和数量，使原有烟气罩漏风状况大大改善，同时改善了烟气罩内烟气流动状态，使烟气在 料面上分配更均匀，有利于烧结生产的顺行。 1 模型的构建与优化方案 录用稿件，非最终出版稿
利用数学建模对热烟气循环烧结烟气罩内烟气流动进行模拟，通过求解连续性方程、动量方程 求解烟气在烟气罩和床层内的流动，床层中烟气流动使用多孔介质模型进行处理。 1.1理论基础 数学模型描述热烟气循环烧结烟气罩内烟气流动连续性方程如下所示： p+7.(pi)=0 (1) o 描述床层中烟气运动的动量方程： +v(m)=-Vp+vu(vi+v)]+p F(2) 热烟气循环烧结的烟气罩内流体流动为湍流，模型中湍流粘度通过计算标准k-ε湍流模型，其 表达式如下： e()(pus) a 其中，k为湍动能，m2s2,e为湍流耗散率，m2s3,为湍流粘度，Pa.S,o和oe为k和ε的施 密特数，c1和c2为常数。G为由于平均速度梯度湍流产生项 可以表示为： 5) G,=-P4 湍流粘度可以通过下式计算： (6) 上式中，c=1.44,c2=1.92, 009,0=1.0,o=1.3,其值通过实验确定。 1.1边界条件及优化方案 热烟气循环烧结的烟《臂慈型如图1所示。网格划分依据该钢厂烟气罩实际尺寸，并采用 cutcell方法，主体部分采角六面体进行划分，并对漏风处网格进行加密，单个网格数约为100万， 如图2所示。由于烟气进气口不在其几何中心，又有人孔（人孔是指为补充气量同时削弱了烟气 入口漩涡强度而人工升的孔，位于烟气罩进气侧中间位置，见图1)的影响，因此，多个烟气罩衔 接面并不是对称边界，不能使用传统的对称边界条件，所以数学模拟边界使用循环周期边界条件。 其它模型参数如所示，烟气入口和人孔使用压力入口边界，根据实际条件使用不同压力值。床层计 算采用多孔介质模型进行处理。现场烟气罩与床层衔接处存在漏风状况，模型中简化漏风缝隙形状， 漏风处压力为0P。考虑到单个烟气罩进气方管截面积与所覆盖的烧结面积的比例，在热烟气进出 气体量大致平衡的情况下，若料面风速为1ms,则方管进气速度需达到10mss-20m's:热烟气 温度参照实际生产选180℃：烟气罩外环境温度为25℃
利用数学建模对热烟气循环烧结烟气罩内烟气流动进行模拟，通过求解连续性方程、动量方程 求解烟气在烟气罩和床层内的流动，床层中烟气流动使用多孔介质模型进行处理。 1.1 理论基础 数学模型描述热烟气循环烧结烟气罩内烟气流动连续性方程如下所示： ( ) 0 u t （1） 描述床层中烟气运动的动量方程： ( ) ( ) T u uu p u u g t （2） 热烟气循环烧结的烟气罩内流体流动为湍流，模型中湍流粘度通过计算标准 k-ε 湍流模型，其 表达式如下： ( ) t i k i j k j k k u k G t x x x （3） 2 1 3 2 ( ) t i k b i j j u G G G G G t x x x k k （4） 其中，k 为湍动能，m2 /s2，ε 为湍流耗散率，m2 /s3，μt为湍流粘度，Pa.s，σk和 σε为 k 和 ε 的施 密特数，c1和 c2为常数。Gk为由于平均速度梯度湍流产生项，可以表示为: j k l j i u G u u x （5） 湍流粘度可以通过下式计算： 2 t k C （6） 上式中，c1=1.44，c2=1.92，cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，其值通过实验确定。 1.1 边界条件及优化方案 热烟气循环烧结的烟气罩模型如图 1 所示。网格划分依据该钢厂烟气罩实际尺寸，并采用 cutcell 方法，主体部分采用六面体进行划分，并对漏风处网格进行加密，单个网格数约为 100 万， 如图 2 所示。由于烟气罩进气口不在其几何中心，又有人孔（人孔是指为补充气量同时削弱了烟气 入口漩涡强度而人工开的孔，位于烟气罩进气侧中间位置，见图 1）的影响，因此，多个烟气罩衔 接面并不是对称边界，不能使用传统的对称边界条件，所以数学模拟边界使用循环周期边界条件。 其它模型参数如所示，烟气入口和人孔使用压力入口边界，根据实际条件使用不同压力值。床层计 算采用多孔介质模型进行处理。现场烟气罩与床层衔接处存在漏风状况，模型中简化漏风缝隙形状 ， 漏风处压力为 0 Pa。考虑到单个烟气罩进气方管截面积与所覆盖的烧结面积的比例，在热烟气进出 气体量大致平衡的情况下，若料面风速为 1 m·s -1，则方管进气速度需达到 10 m·s -1s-20 m·s -1；热烟气 温度参照实际生产选 180℃；烟气罩外环境温度为 25℃。 录用稿件，非最终出版稿
Flue gas inlet Deflector Manual opening Air leakage on side A Air leakage on side B 围1烟气罩三维模型 国2烟气运内热烟气计鲜大同 Fig.1 3D model of fume hood 表1数学模型计算边条件 Table 1 Mathematical model to caleulate boundary conditions Boundary conditions parameter Ventilation negative pressure,Kpa 18 Inlet pressure,Kpa 0 Manhole pressure,Kpa . Leakage pressure.Kpa Bed thickness,mm 850 Width of air leakage gap.mm 10 Bed width.mm 6200 根据现场数据反馈，原烟气罩（图3）在实际运行过程中出现漏风现象，原因是由于原方案 烟气罩内，烟气从进气口进入并是被负压从料面直接吸入，而是在烟气罩形状的作用下在内部做 旋转运动，使得料面上部风速和方向不一，漏风处部分压力为正压，部分烟气从烟气罩漏风处溢出。 为了改善烟气进入烟气翼的流动状况，对烟气罩内烟气的优化思路是在烟气罩内安装导流板对烟 气流动进行控制，削弱烟翼内烟气旋转流动，降低或消除烟气到达漏风处的动压，使漏风处的风 压为零或负值，达到阻止烟气外漏的目的，优化方案如图3所示。 (b) (c)
图 1 烟气罩三维模型 图 2 烟气罩内热烟气罩计算域网格划分 Fig.1 3D model of fume hood Fig.2 Grid division of the computational domain of the hot fume hood 表 1 数学模型计算边界条件 Table 1 Mathematical model to calculate boundary conditions Boundary conditions parameter Ventilation negative pressure,Kpa -18 Inlet pressure,Kpa 0 Manhole pressure,Kpa 0.1 Leakage pressure,Kpa 0 Bed thickness,mm 850 Width of air leakage gap,mm 10 Bed width，mm 6200 根据现场数据反馈，原烟气罩（图 3a）在实际运行过程中出现漏风现象，原因是由于原方案 烟气罩内，烟气从进气口进入并不是被负压从料面直接吸入，而是在烟气罩形状的作用下在内部做 旋转运动，使得料面上部风速和方向不一，漏风处部分压力为正压，部分烟气从烟气罩漏风处溢出。 为了改善烟气进入烟气罩内的流动状况，对烟气罩内烟气的优化思路是在烟气罩内安装导流板对烟 气流动进行控制，削弱烟气罩内烟气旋转流动，降低或消除烟气到达漏风处的动压，使漏风处的风 压为零或负值，达到阻止烟气外漏的目的，优化方案如图 3 所示。 Air leakage on side A Air leakage on side B Manual opening Flue gas inlet Deflector (a) (b) (c) 录用稿件，非最终出版稿
图3烟气罩不同方案状况示意图.(a)原方案，(b)优化方案1；(c)优化方案2 Fig.3 Schematic diagram of different schemes of flue gas hood.(a)Original scheme:(b)Optimized scheme 1:(c)Optimized scheme 2 2模拟结果及分析 2.1原方案烟气罩内烟气流动状态 首先根据原有方案进行建模，分析烟气罩内烟气流动特点。根据入口边界条件，本文中模拟烟 气循环对应的料面风速为5m's,模拟循环烟气温度为180℃，模拟循环烟气氧含量为18%。图4为 原方案三个烟气罩内在人孔关闭和打开时烟气在烟气罩内的运动状况。从图中可以看出，烟气在从 入口进入烟气罩内时，直接流向A侧烟气罩壁面，然后左右分作两股流动在水平视角上形成两个旋 转流动。结合（©）原方案烟气罩内烟气流动侧视流线图可以看出，烟气在进入烟气翼后以旋转下降方 式到达料面。通过对比(a)和b)中流线图可以看出，人孔开闭对烟罩内烟的流会产生明显影响， 人孔打开时改变了烟气的流动状态，削弱了进入烟气形成漩涡的强度，但是并未较大改善烟气旋转 流动，一方面使得料面上烟气流速不均，另一方面也使烟气不能最快到达料面，对料面吸风产生负 面影响，进而影响生产。 (a) 6 (c) 图4原方案烟气瘴内烟气运动流线.(a)人孔闭，(b)人孔开，(c)侧视流线图 Fig.4 The streamline of the smoke movement i the flue gas hood of the original scheme.(a)Manhole closed;(b)Manhole open:(c)Side view streamline diagram 2.2优化方案烟气罩内烟气流动状态 通过以上分板可以看出，原方案烟气罩内烟气流动对于料面吸风不利，因此，对烟气罩内烟气 流动的优化重点在予降低烟气罩内烟气旋转流动，使料面烟气分配更加均匀。图5为优化方案1烟 气罩内流线图从图中可以看出，烟气罩内放置导流板，一定程度上改善烟气罩内烟气流动状态。 优化方案2在烟气罩内加装一块导流板，流线图如图6所示。可以看出，烟气罩内烟气流动发生了 明显变化，导流板在烟气罩内阻碍了一部分旋转流动的形成，使烟气更均匀地分布在烟气罩内
图 3 烟气罩不同方案状况示意图.(a) 原方案; (b) 优化方案 1; (c) 优化方案 2 Fig.3 Schematic diagram of different schemes of flue gas hood. (a) Original scheme; (b) Optimized scheme 1; (c) Optimized scheme 2 2 模拟结果及分析 2.1 原方案烟气罩内烟气流动状态 首先根据原有方案进行建模，分析烟气罩内烟气流动特点。根据入口边界条件，本文中模拟烟 气循环对应的料面风速为 5 m·s -1，模拟循环烟气温度为 180℃，模拟循环烟气氧含量为 18%。图 4 为 原方案三个烟气罩内在人孔关闭和打开时烟气在烟气罩内的运动状况。从图中可以看出，烟气在从 入口进入烟气罩内时，直接流向 A 侧烟气罩壁面，然后左右分作两股流动在水平视角上形成两个旋 转流动。结合 (c)原方案烟气罩内烟气流动侧视流线图可以看出，烟气在进入烟气罩后以旋转下降方 式到达料面。通过对比 (a)和 (b)中流线图可以看出，人孔开闭对烟罩内烟气的流动会产生明显影响， 人孔打开时改变了烟气的流动状态，削弱了进入烟气形成漩涡的强度，但是并未较大改善烟气旋转 流动，一方面使得料面上烟气流速不均，另一方面也使烟气不能最快到达料面，对料面吸风产生负 面影响，进而影响生产。 图 4 原方案烟气罩内烟气运动流线.(a) 人孔闭; (b) 人孔开; (c) 侧视流线图 Fig.4 The streamline of the smoke movement in the flue gas hood of the original scheme. (a) Manhole closed; (b) Manhole open; (c) Side view streamline diagram 2.2 优化方案烟气罩内烟气流动状态 通过以上分析可以看出，原方案烟气罩内烟气流动对于料面吸风不利，因此，对烟气罩内烟气 流动的优化重点在于降低烟气罩内烟气旋转流动，使料面烟气分配更加均匀。图 5 为优化方案 1 烟 气罩内流线图，从图中可以看出，烟气罩内放置导流板，一定程度上改善烟气罩内烟气流动状态。 优化方案 2 在烟气罩内加装一块导流板，流线图如图 6 所示。可以看出，烟气罩内烟气流动发生了 明显变化，导流板在烟气罩内阻碍了一部分旋转流动的形成，使烟气更均匀地分布在烟气罩内。 (a) (b) (c) 录用稿件，非最终出版稿
(a) (b) 701143467 0.9 0.0 [ms1] 图5优化方案1烟气罩内烟气运动流线.(a)人孔闭；(b)人孔开 Fig.5 Optimized scheme I the movement streamline of flue gas in flue gas hood.(a)Manhole d/(b)Manhole open Velocity (b) 6.9 05 0.9 0.0 [m s^-1] 图6优化方案2烟气罩内烟气运动流线.(@)人孔闭，(b)人孔开 Fig.6 Optimized scheme 2 the movement streamline of fue gas in flue gas hood.(a)Manhole closed;(b)Manhole open; 2.3优化方案烟气罩内漏吸风状况 对烟气罩内烟气流动优化的目的是改善烟气流动状态，使其较早地通过料面被吸入，另一方面 是改善漏风。图7为烟气罩原方桑和优化方案漏风口速度场。漏风口与水平平行，因此，速度场中， 向下表示烟气从烟气罩内由内而外漏出，为漏风：速度场向上表示烟气罩内靠近漏风口处压力低于 外部大气压，从外部吸人③众为吸风。从图()可以看出，原方案A侧整个漏风口烟气流向朝向 外部，表示整个漏风贝有漏风现象。而靠近烟气入口处的B侧漏风口全为吸风。结合图4可以看出， 原方案烟气从入口进后，直接流向A侧壁面，由于到达A侧壁面时仍具备一定动能，因此，A侧 漏风口处烟气有一定的动压，较为容易地从漏风口吹出。而B侧处烟气为A侧处反射流，烟气动能 下降，此处较多地形成负压，从外部吸风。从这里也可以看出，烧结床层料面上烟气的分配是不均 匀的。在烟气罩内放置导流板后，从图(b)可以看出，A侧处烟气漏风得到改善，此处漏风口变为吸 风状况，而B侧由于导流板的作用，一部分烟气流向B侧时仍具备较大的动能，烟气有少许外漏。 为了降低回流烟气流动强度，在烟气罩内上部加装另一块导流板，如图（©）所示。由于上部导流板 对入口进入烟气进行部分导流，使烟气在流经导流板后不再在同一方向具备较大动能和同一流向， 烟气分散地流向烟气罩内料面各处。使得A和B两侧漏风处同时为吸风，有效地改善了漏风状况
图 5 优化方案 1 烟气罩内烟气运动流线.(a) 人孔闭; (b) 人孔开 Fig.5 Optimized scheme 1 the movement streamline of flue gas in flue gas hood. (a) Manhole closed; (b) Manhole open; 图 6 优化方案 2 烟气罩内烟气运动流线.(a) 人孔闭; (b) 人孔开 Fig.6 Optimized scheme 2 the movement streamline of flue gas in flue gas hood. (a) Manhole closed; (b) Manhole open; 2.3 优化方案烟气罩内漏吸风状况 对烟气罩内烟气流动优化的目的是改善烟气流动状态，使其较早地通过料面被吸入，另一方面 是改善漏风。图 7 为烟气罩原方案和优化方案漏风口速度场。漏风口与水平平行，因此，速度场中， 向下表示烟气从烟气罩内由内而外漏出，为漏风；速度场向上表示烟气罩内靠近漏风口处压力低于 外部大气压，从外部吸入口气，为吸风。从图 (a) 可以看出，原方案 A 侧整个漏风口烟气流向朝向 外部，表示整个漏风口有漏风现象。而靠近烟气入口处的 B 侧漏风口全为吸风。结合图 4 可以看出， 原方案烟气从入口进入后，直接流向 A 侧壁面，由于到达 A 侧壁面时仍具备一定动能，因此，A 侧 漏风口处烟气有一定的动压，较为容易地从漏风口吹出。而 B 侧处烟气为 A 侧处反射流，烟气动能 下降，此处较多地形成负压，从外部吸风。从这里也可以看出，烧结床层料面上烟气的分配是不均 匀的。在烟气罩内放置导流板后，从图 (b) 可以看出，A 侧处烟气漏风得到改善，此处漏风口变为吸 风状况，而 B 侧由于导流板的作用，一部分烟气流向 B 侧时仍具备较大的动能，烟气有少许外漏。 为了降低回流烟气流动强度，在烟气罩内上部加装另一块导流板，如图 (c) 所示。由于上部导流板 对入口进入烟气进行部分导流，使烟气在流经导流板后不再在同一方向具备较大动能和同一流向， 烟气分散地流向烟气罩内料面各处。使得 A 和 B 两侧漏风处同时为吸风，有效地改善了漏风状况。 (a) (b) (a) (b) 录用稿件，非最终出版稿
(a) 6 (c) 图7不同方案条件下漏风口速度场分布.(a)原方案：(b)优化 《优化2 Fig.7 Velocity field distribution of air leakage vents under different scheme conditions. (a)Original scheme;(b)Optimization 1;(c)Optimization 2 从以上分析可以看出，烟气罩内漏风处主要为A侧，B侧太部分状况为吸风， 或者漏风量较少。 图8和图9分别对烟气罩原方案优化方案1和2A侧漏风口处烟气速度分布进行分析。 从图8中可以看出，原方案在人孔关闭和打开时，A测漏风口上速度都为负值，表示整个漏风 口出现漏风状况。同时，漏风口处速度产生波动，漏风附近烟气动压不同，进一步说明烟罩内靠 近料面烟气速度分布不均。从图9可以看出，人孔关鱼，优化方案1A侧漏风口速度都为正值， 说明整个漏风口都为吸风状况。而人孔打开时，由公孔进入的空气改变了烟气罩内烟气流动，使 A侧漏风口部分区段出现漏风状况（负值区段《 优化方案1A侧漏风口在人孔关闭时虽然都为吸风，但在烟气罩长度方向吸风量产生波动，表 示烟气在漏风口附近烟气罩内气流速度仍然变化较大。在进一步用导流板对烟气控制后，如图8所 示。人孔关闭时，A侧漏风口吸风量在长度方向比较均匀，为2.5ms左右。说明烟气在漏风口附近 烟气罩内气流速度比较均匀。而打死人孔后，与优化方案1类似，漏风口在部分区段出现漏风，表 但也影响了烟气罩内的烟气流动，使漏风口出现漏风，恶 录用稿 明，人孔打开一定程度上可以补茨气量， 化了现场环境。 Optimization I (manhole closed)-Optimization I (manhole open) Original plan (manhole closed)-Original plan (manhole open) Fume hood length/m 图8优化方案1A侧漏风处烟气速度对比 Fig.8 Optimization plan I comparison of smoke velocity at the air leakage on side A
图 7 不同方案条件下漏风口速度场分布.(a) 原方案; (b) 优化 1; (c) 优化 2 Fig.7 Velocity field distribution of air leakage vents under different scheme conditions. (a) Original scheme; (b) Optimization 1; (c) Optimization 2 从以上分析可以看出，烟气罩内漏风处主要为 A 侧，B 侧大部分状况为吸风，或者漏风量较少。 图 8 和图 9 分别对烟气罩原方案优化方案 1 和 2 A 侧漏风口处烟气速度分布进行分析。 从图 8 中可以看出，原方案在人孔关闭和打开时，A 侧漏风口上速度都为负值，表示整个漏风 口出现漏风状况。同时，漏风口处速度产生波动，漏风口附近烟气动压不同，进一步说明烟罩内靠 近料面烟气速度分布不均。从图 9 可以看出，人孔关闭时，优化方案 1 A 侧漏风口速度都为正值， 说明整个漏风口都为吸风状况。而人孔打开时，由于人孔进入的空气改变了烟气罩内烟气流动，使 A 侧漏风口部分区段出现漏风状况（负值区段）。 优化方案 1 A 侧漏风口在人孔关闭时虽然都为吸风，但在烟气罩长度方向吸风量产生波动，表 示烟气在漏风口附近烟气罩内气流速度仍然变化较大。在进一步用导流板对烟气控制后，如图 8 所 示。人孔关闭时，A 侧漏风口吸风量在长度方向比较均匀，为 2.5 m·s -1左右。说明烟气在漏风口附近 烟气罩内气流速度比较均匀。而打开人孔后，与优化方案 1 类似，漏风口在部分区段出现漏风，表 明，人孔打开一定程度上可以补充气量，但也影响了烟气罩内的烟气流动，使漏风口出现漏风，恶 化了现场环境。 0 2 4 6 8 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Flue gas velocity m· -1 s Fume hood length / m Optimization 1 (manhole closed) Optimization 1 (manhole open) Original plan (manhole closed) Original plan (manhole open) 图 8 优化方案 1 A 侧漏风处烟气速度对比 Fig.8 Optimization plan 1 comparison of smoke velocity at the air leakage on side A (a) (b) (c) 录用稿件，非最终出版稿
! Optimization 2(manhole closed)-Optimization 2(manhole open) Original plan (manhole closed)-Original plan (manhole open) 3 -2 Fume hood length/m 图9优化方案2A侧漏风处烟气速度对比 Fig.9 Optimization plan 2 comparison of smoke velocity at the air leakage on side A 对原方案和优化方案在人孔开闭时A侧漏风/吸风量进行统计，负值为漏，正值为吸风，如 图10所示。从图中可以看出，原方案人孔关闭和打开时，A侧漏风量为2和1.7ms,人孔打开 时虽然有利于进气，但是也使漏风口漏风量增加。优化方案1在流校的作用下，A侧变为吸风， 人孔关闭，吸风量为2.4m“s,而当人孔打开时，由于空气的补充A侧漏风口吸风量降低。相对于 优化方案1，方案2在人孔打开和关闭时吸风量变化不大，分别为2.4和1.5ms。 Optimization plan I Different state simulation 图10烟气罩原方案和优化方案A侧漏风处漏风（负值）和吸风（正值）状况 Fig.10 Air leakage (negative yalue)and suction(positive value)of the original and optimized scheme of the flue gas hood at the air leakage on side A 3结论 (1) 对循环烟气热风罩内流动状态进行模拟，通过优化烟气罩内导流板结构和数量，削弱了 烟气罩内烟气旋转流动，明显改善了其流动状态，使烟气分布更均匀，并顺利进入料层： (2)模拟结果表明现有烟气罩人孔打开时虽然在气量上有一定的补充效果，削弱了烟气入口 进入烟气形成漩涡的强度，但是并未较大改善烟气旋转流动，导致料面上烟气流速不均，不利于其 防止漏风条件： (3)结果表明烟气罩漏风在进气口烟气流向侧较为严重，通过优化烟气罩内导流板结构和数 量，使A侧漏风口由漏风1.2m3s变为吸风2.4m3s,烟气罩漏风状况明显改善，有利于烧结生产 的顺行
0 2 4 6 8 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Flue gas velocity m· -1 s Fume hood length / m Optimization 2 (manhole closed) Optimization 2 (manhole open) Original plan (manhole closed) Original plan (manhole open) 图 9 优化方案 2 A 侧漏风处烟气速度对比 Fig.9 Optimization plan 2 comparison of smoke velocity at the air leakage on side A 对原方案和优化方案在人孔开闭时 A 侧漏风/吸风量进行统计，负值为漏风，正值为吸风，如 图 10 所示。从图中可以看出，原方案人孔关闭和打开时，A 侧漏风量为 1.2 和 1.7 m3 ·s -1，人孔打开 时虽然有利于进气，但是也使漏风口漏风量增加。优化方案 1 在导流板的作用下，A 侧变为吸风， 人孔关闭，吸风量为 2.4 m3 ·s -1，而当人孔打开时，由于空气的补充，A 侧漏风口吸风量降低。相对于 优化方案 1，方案 2 在人孔打开和关闭时吸风量变化不大，分别为 2.4 和 1.5 m3 ·s -1。 Original plan Optimization plan 1 Optimization plan 2 -2 -1 0 1 2 3 Total air leakage/intake / 3m·s -1 Different state simulation Manhole closed Manhole opening 图 10 烟气罩原方案和优化方案 A 侧漏风处漏风（负值）和吸风（正值）状况 Fig.10 Air leakage (negative value) and suction (positive value) of the original and optimized scheme of the flue gas hood at the air leakage on side A 3 结论 （1）对循环烟气热风罩内流动状态进行模拟，通过优化烟气罩内导流板结构和数量，削弱了 烟气罩内烟气旋转流动，明显改善了其流动状态，使烟气分布更均匀，并顺利进入料层； （2）模拟结果表明现有烟气罩人孔打开时虽然在气量上有一定的补充效果，削弱了烟气入口 进入烟气形成漩涡的强度，但是并未较大改善烟气旋转流动，导致料面上烟气流速不均，不利于其 防止漏风条件； （3）结果表明烟气罩漏风在进气口烟气流向侧较为严重，通过优化烟气罩内导流板结构和数 量，使 A 侧漏风口由漏风 1.2 m3 ·s -1变为吸风 2.4 m3 ·s -1，烟气罩漏风状况明显改善，有利于烧结生产 的顺行。 录用稿件，非最终出版稿
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参 考 文 献： [1] Xing Y, Zhang W B, Su W, et al. Research of ultra-low emission technologies of the iron and steel industry in China. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(1): 1 （邢奕, 张文伯, 苏伟, 等. 中国钢铁行业超低排放之路. 工程科学学报, 2021, 43(1): 1） [2] He K B. Winning the defense of the blue sky needs to acceleratethe ultra-low emission transformation of the steel industry. China Environ News, 2019 05 06 （贺克斌. 打赢蓝天保卫战需要加快钢铁行业超低排放改造. 中国环境报, 2019 05 06） [3] Li X C. Road map to high-quality development of iron and steel industry in new age. Iron Steel, 2019, 54(1):1 （李新创. 新时代钢铁工业高质量发展之路. 钢铁, 2019, 54(1): 1） [4] Zhou J C, Zhang C X, Li X P, et al. Status of energy consumption and review and prospect of energy saving technologies of blast furnace procedure in China. Journal of Iron and Steel Research, 2010, 22(9): 1 （周继程, 张春霞, 郦秀萍, 等.中国高炉工序能耗现状及节能技术的回顾与展望. 钢铁研究学报, 2010.22(9): 1） [5] Gao X. Development situation and trend analysis of sintering industry in China. Iron and Steel, 2008. 43(1): 85 （郜学. 中国烧结行业的发展现状和趋势分析. 钢铁, 2008. 43(1): 85） [6] Yan B J, Xing Y, Lu P, et al. A critical review on the research progress of multi-pollutant collaborative control technologies of sintering flue gas in the iron and steel industry. Chinese Journal of Engineering, 2018, 40(7): 767 （闫伯骏, 邢奕, 路培, 等. 钢铁行业烧结烟气多污染物协同净化技术研究进展. 工程科学学报, 2018, 40(7): 767） [7] Que Z G, WU S L, AI X B. To reduce NOx emission based on optimizing the existing states of coarse coke breeze during iron ore sintering process. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(2): 163 （阙志刚, 吴胜利, 艾仙斌. 基于优化粗粒级固体燃料赋存形态的铁矿烧结过程 NOx 减排. 工程科学学报, 2020, 42(2): 163） [8] Xia J F, Yu Y J, Wang X J, et al. Research on operation pa-rameters optimization of sinter cooler waste heat recovery sys-tem based on exergy efficiency optimization. Journal of Iron and Steel Research, 2019. 31(7): 637 （夏建芳, 余娠君, 王潇杰, 等. 基于㶲效率目标的环冷机余热回收系统操作参数优化. 钢铁研究学报, 2019. 31(7): 637） [9] Wang G ,Wen Z, Lou G, et al. Mathematical modeling of and parametric studies on flue gas recirculation iron ore sintering. Applied Thermal Engineering, 2016 (102): 648 [10] Long H M, Zhang X Y, Li J X, et al. Study on Emission Characteristics of SO2 and Feasibility of Desulfurization in Iron Ore Sintering Process. The Chinese Joumal of Process Engineering, 2015, 15(2):230 （龙红明, 张向阳, 李家新, 等. 铁矿烧结过程 SO2的排放特性及过程脱硫的可行性研究. 过程工程学报, 2015, 15(2): 230） [11] Qie J M, Zhang C X, Wang H F, et al. Analysis of emission situation and emission reduction technology of typical sintering flue gas pollutants. Sinter Pelletiz, 2016, 41(6): 59 （郄俊懋, 张春霞, 王海风, 等. 烧结烟气典型污染物排放形势及减排技术分析 烧结球团, 2016, 41(6): 59） [12] Liu C P, Yang D W, Hui J M, et al. One-stop solution of cas-cade utilization of waste heat recovery, desulfurization and denitrification in the sintering system. Journal of Iron and Steel Research, 2016. 28(10): 50 （刘传鹏, 杨东伟, 惠建明, 等. 烧结余热梯级利用及脱硫脱硝一站式解决方案. 钢铁研究学报, 2016. 28(10): 50） [13] Ding Y, Shi D M. High refficiency utilization of waste heat at fully integrated steel plant. Iron and Steel, 2011. 46(10): 88 （丁毅, 史德明. 钢铁企业余热资源高效利用. 钢铁, 2011. 46(10): 88） [14] Sun Y J, Dong H, Feng J S, et al. Thermodynamic analysis of waste heat recovery for sinter-cooling system. Journal of Iron and Steel Research, 2015. 27(1): 16 （孙用军, 董辉, 冯军胜, 等. 烧结-冷却余热回收系统热力学分析. 钢铁研究学报, 2015. 27(1): 16） [15] Wang Z C, Zhou Z A, Hu B, et al. Wind-oxygen balance model of flue gas circulation in sintering. Iron and Steel. 2015. 录用稿件，非最终出版稿
